ذرة فائقة البرودة

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

في فيزياء المادة المكثفة ، تُعتبر الذرات فائقة البرودة غازات ذرية ذات درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق . عند هذه الدرجات، تصبح الخصائص الكمومية للذرات مهمة، وخاصة من خلال ما يُعرف بالميوعة الفائقة ، وهي ظاهرة يُظهرها أيضًا الهيليوم فائق الميوعة 4 .

للوصول إلى هذه الدرجات المنخفضة، عادةً ما يُستخدم مزيج من عدة تقنيات. [ 1 ] أولًا، تُحصر الذرات وتُبرّد مسبقًا باستخدام التبريد الليزري في مصيدة مغناطيسية بصرية . وللوصول إلى أدنى درجة حرارة ممكنة، يُجرى تبريد إضافي باستخدام التبريد التبخيري في مصيدة مغناطيسية أو بصرية . وقد رُصدت عدة جوائز نوبل في الفيزياء لتطوير تقنيات التلاعب بالخصائص الكمومية للذرات الفردية (مثلًا في الأعوام 1989، 1996، 1997، 2001، 2005، 2012، 2018).

تدرس التجارب التي تُجرى على الذرات فائقة البرودة مجموعة متنوعة من الظواهر، بما في ذلك التحولات الطورية الكمومية ، وتكثيف بوز-أينشتاين ، والميوعة الفائقة البوزونية ، والمغناطيسية الكمومية ، وديناميكيات اللف المغزلي متعددة الأجسام، وحالات إيفيموف [ 2 ] ، والميوعة الفائقة لباردين-كوبر-شريفر، والتحول بين تكثيف بوز-أينشتاين ونظرية الميوعة الفائقة لباردين -كوبر-شريفر [ 3 ] . تستخدم بعض هذه التوجهات البحثية أنظمة الذرات فائقة البرودة كمحاكيات كمومية لدراسة فيزياء أنظمة أخرى، بما في ذلك غاز فيرمي الوحدوي ونموذجي إيزينغ وهوبارد [ 4 ] . كما يمكن استخدام الذرات فائقة البرودة في تطوير الحواسيب الكمومية [ 5 ] [ 6 ] .

تاريخ

تُحضّر عينات الذرات فائقة البرودة عادةً من خلال تفاعل غاز مخفف مع مجال ليزري. وقد أثبت كلٌّ من ليبيديف ونيكولز وهول بشكل مستقل في عام 1901 وجود ضغط الإشعاع، أي القوة الناتجة عن الضوء المؤثرة على الذرات. وفي عام 1933، أثبت أوتو فريش انحراف جزيئات الصوديوم الفردية بفعل الضوء المنبعث من مصباح الصوديوم.

حفّز اختراع الليزر تطوير تقنيات إضافية لمعالجة الذرات بالضوء. وقد طُرح استخدام ضوء الليزر لتبريد الذرات لأول مرة عام 1975، وذلك بالاستفادة من تأثير دوبلر لجعل قوة الإشعاع المؤثرة على الذرة مرتبطة بسرعتها، وهي تقنية تُعرف بتبريد دوبلر . كما طُرحت أفكار مماثلة لتبريد عينات من الأيونات المحصورة. يؤدي تطبيق تبريد دوبلر ثلاثي الأبعاد إلى إبطاء الذرات إلى سرعات تبلغ عادةً بضعة سنتيمترات في الثانية، مما ينتج عنه ما يُعرف بالدوامة الضوئية . [ 7 ]

عادةً، كان مصدر الذرات المتعادلة لهذه التجارب أفرانًا حرارية تُنتج الذرات عند درجات حرارة تصل إلى بضع مئات من الكلفن. وتتحرك الذرات الناتجة عن هذه الأفران بسرعة مئات الأمتار في الثانية. كان أحد التحديات التقنية الرئيسية في تبريد دوبلر هو زيادة مدة تفاعل الذرة مع ضوء الليزر. وقد تم التغلب على هذا التحدي باستخدام مُبطئ زيمان . يستخدم مُبطئ زيمان مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا مكانيًا للحفاظ على التباعد النسبي للطاقة بين الانتقالات الذرية المشاركة في تبريد دوبلر. وهذا يزيد من مدة تفاعل الذرة مع ضوء الليزر. يمكن أيضًا استخدام موزعات معدنية في التجارب، وهي عبارة عن قضبان معدنية نقية (عادةً من المعادن القلوية ) تُصدر إشعاعًا عند تسخينها (حيث يكون ضغط البخار أعلى) بتيار كهربائي.

شكّل تطوير أول مصيدة مغناطيسية بصرية (MOT) على يد راب وآخرون عام 1987 خطوةً هامةً نحو إنتاج عينات من الذرات فائقة البرودة. تتراوح درجات الحرارة النموذجية التي يتم الوصول إليها باستخدام المصيدة المغناطيسية البصرية بين عشرات ومئات الميكروكلفن. وتقوم هذه المصيدة، في جوهرها، بحصر الذرات في حيز مكاني عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي، بحيث لا توفر أشعة الليزر قوةً تعتمد على السرعة فحسب، بل قوةً متغيرةً مكانيًا أيضًا. وقد مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء عام 1997 [ 7 ] لتطوير طرق تبريد وحصر الذرات باستخدام ضوء الليزر، وتقاسمها كلٌ من ستيفن تشو ، وكلود كوهين-تانوجي، وويليام د. فيليبس .

استُخدم التبريد التبخيري في التجارب العلمية للوصول إلى درجات حرارة منخفضة، وذلك بهدف اكتشاف حالة جديدة للمادة تنبأ بها ساتيندرا ناث بوز وألبرت أينشتاين، تُعرف باسم مكثف بوز-أينشتاين . في التبريد التبخيري، تُترك الذرات الأكثر سخونة في العينة لتتسرب، مما يُخفض متوسط ​​درجة حرارتها. مُنحت جائزة نوبل عام 2001 [ 1 ] لإريك أ. كورنيل ، وولفغانغ كيترلي، وكارل إي. ويمَن، لاكتشافهم مكثف بوز-أينشتاين في غازات مخففة من ذرات الفلزات القلوية، ولأبحاثهم الأساسية المبكرة حول خصائص هذه المكثفات.

في السنوات الأخيرة ، أتاحت تقنيات تبريد متنوعة دون مستوى دوبلر ، بما في ذلك تبريد تدرج الاستقطاب ، وتبريد دبس السكر الرمادي ، وتبريد النطاق الجانبي لرامان ، تبريد وحصر الذرات المفردة في الملاقط الضوئية . [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] وقد أصبحت المنصات التجريبية التي تستخدم الذرات المتعادلة فائقة البرودة في الملاقط الضوئية والشبكات الضوئية بيئة شائعة بشكل متزايد لدراسة الحوسبة الكمومية، والمحاكاة الكمومية، والقياسات الدقيقة . وتُعد الذرات ذات الانتقالات الدورية المغلقة، القادرة على تشتيت العديد من الفوتونات باحتمالية منخفضة للتحلل إلى حالات أخرى، من الأنواع الشائعة لتجارب الذرات المتعادلة فائقة البرودة. وتُمكّن انتقالات البنية الدقيقة ذات الطاقة الأدنى في ذرات الفلزات القلوية من التصوير الفلوري، بينما يمكن استخدام مزيج من المستويات الفرعية فائقة الدقة ومستويات زيمان الفرعية لتنفيذ التبريد دون مستوى دوبلر. وقد اكتسبت ذرات الفلزات القلوية الترابية شعبية أيضاً بسبب انتقالات التبريد ذات عرض الخط الضيق وانتقالات الساعة البصرية فائقة الضيق.

التطبيقات

تتمتع الذرات فائقة البرودة بتطبيقات متنوعة نظرًا لخصائصها الكمومية الفريدة وإمكانية التحكم التجريبي الدقيق في هذه الأنظمة. فعلى سبيل المثال، اقتُرحت الذرات فائقة البرودة كمنصة للحوسبة الكمومية والمحاكاة الكمومية، [ 11 ] مصحوبة ببحوث تجريبية مكثفة لتحقيق هذه الأهداف.

تُعدّ المحاكاة الكمومية ذات أهمية بالغة في سياق فيزياء المادة المكثفة، حيث تُتيح فهمًا أعمق لخصائص الأنظمة الكمومية المتفاعلة. تُستخدم الذرات فائقة البرودة لمحاكاة نظام المادة المكثفة محل الدراسة، والذي يُمكن استكشافه باستخدام الأدوات المتاحة في هذه المحاكاة. ونظرًا لاختلاف هذه الأدوات اختلافًا كبيرًا عن تلك المُتاحة في نظام المادة المكثفة الفعلي، يُمكن بالتالي دراسة كميات يصعب الوصول إليها تجريبيًا. علاوة على ذلك، قد تُتيح الذرات فائقة البرودة إمكانية إنشاء حالات غريبة للمادة، لا يُمكن رصدها في الطبيعة.

جميع الذرات متطابقة، مما يجعل مجموعات الذرات مثاليةً لضبط الوقت العالمي. في عام ١٩٦٧، عُدِّل تعريف الثانية في النظام الدولي للوحدات (SI) ليشير إلى تردد انتقال فائق الدقة في ذرات السيزيوم. وقد طُوِّرت ساعات ذرية تعتمد على ذرات الفلزات القلوية الترابية أو أيونات شبيهة بها (مثل أيون الألومنيوم Al + )، وذلك باستخدام انتقالات ضوئية ذات خطوط طيفية ضيقة. ولتحقيق أعداد كبيرة من الذرات غير المتفاعلة، مما يُسهم في دقة هذه الساعات، يمكن حصر الذرات المتعادلة في شبكات ضوئية. من جهة أخرى، تسمح مصائد الأيونات بفترات استجواب طويلة.

تُستخدم الذرات فائقة البرودة أيضًا في التجارب لإجراء قياسات دقيقة بفضل انخفاض الضوضاء الحرارية، وفي بعض الحالات، باستغلال ميكانيكا الكم لتجاوز الحد الكمي القياسي. إضافةً إلى التطبيقات التقنية المحتملة، قد تُستخدم هذه القياسات الدقيقة لاختبار فهمنا الحالي للفيزياء.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 "جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2001 - معلومات عامة" . www.nobelprize.org . تاريخ الوصول: 27 يناير 2016 .
  2. ↑ نايدون، باسكال؛ إندو، شيمبي (2017). "فيزياء إيفيموف: مراجعة". تقارير عن التقدم في الفيزياء . 80 (5): 056001. arXiv : 1610.09805 . doi : 10.1088/1361-6633/aa50e8 .
  3. ↑ ماديسون، ك. و.؛ وانغ، ي. ك.؛ ري، أ. م.؛ وآخرون ، المحررون. (2013). المراجعة السنوية للذرات والجزيئات الباردة . المجلد 1. وورلد ساينتيفيك. doi : 10.1142/8632 . ISBN   978-981-4440-39-4.
  4. ↑ بلوخ، إيمانويل؛ داليبارد، جان؛ ناسيمبين، سيلفان (2012). "محاكاة الكم باستخدام غازات كمومية فائقة البرودة". مجلة نيتشر فيزيكس . 8 (4): 267-276 . Bibcode : 2012NatPh...8..267B . doi : 10.1038/nphys2259 . S2CID 17023076 . 
  5. ↑ نيميروفسكي، جوناثان؛ ساجي، يواف (2021)، "بوابة ثنائية الكيوبت سريعة وعالمية لذرات فرميونية متعادلة في الملاقط الضوئية"، مجلة Physical Review Research ، 3 (1) 013113، arXiv : 2008.09819 ، Bibcode : 2021PhRvR...3a3113N ، doi : 10.1103/PhysRevResearch.3.013113
  6. ↑ بلوفشتاين، دوليف؛ إيفيريد، سيمون جيه؛ جيم، ألكسندرا أ؛ لي، صوفي هـ؛ تشو، هينغيون؛ مانوفيتز، توم؛ عبادي، سيبهر؛ كاين، مادلين؛ كالينوفسكي، مارسين؛ هانغليتر، دومينيك؛ بونيلا أتايدس، جيه بابلو؛ ماسكارا، نيشاد؛ كونغ، إيريس؛ غاو، شون؛ ساليس رودريغيز، بيدرو (2024). "معالج كمي منطقي قائم على مصفوفات ذرية قابلة لإعادة التشكيل" . مجلة نيتشر . 626 (7997): 58-65 . arXiv : 2312.03982 . Bibcode : 2024Natur.626...58B . doi : 10.1038/s41586-023-06927-3 . ISSN 1476-4687 . PMC 10830422. PMID 38056497 .​   
  7. 1 2 "بيان صحفي: جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1997" . www.nobelprize.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 يناير 2016 .
  8. ↑ داليبارد، ج.؛ كوهين-تانوجي، س. (1989). "التبريد بالليزر دون حد دوبلر بواسطة تدرجات الاستقطاب: نماذج نظرية بسيطة" . مجلة الجمعية البصرية الأمريكية ب . 6 (11): 2023-2045 . رمز Bibcode : 1989JOSAB...6.2023D . doi : 10.1364/JOSAB.6.002023 – عبر مجموعة أوبتيكا للنشر.
  9. ↑ وايدمولر، م.؛ إسلينجر، ت.؛ أولشاني، م.أ.؛ هيميريش، أ.؛ هانش، ت.و. (1994). "مخطط جديد للتبريد الفعال دون حد ارتداد الفوتون" . EPL . 27 (109): 109–114 . Bibcode : 1994EL.....27..109W . doi : 10.1209/0295-5075/27/2/006 – عبر IOP Science.
  10. ↑ كيرمان، أندرو جيه؛ فوليتيتش، فلادان؛ تشين، تشينغ؛ تشو، ستيفن (17 يناير 2000). "ما وراء دبس السكر البصري: تبريد النطاق الجانبي ثلاثي الأبعاد لذرات السيزيوم باستخدام رامان إلى كثافة عالية في فضاء الطور" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 84 (439): 439-442 . رمز Bibcode : 2000PhRvL..84..439K . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.439 . PMID 11015933 – عبر APS. 
  11. ↑ بلوخ، إيمانويل؛ داليبارد، جان؛ ناسيمبين، سيلفان (2012). "محاكاة الكم باستخدام غازات كمومية فائقة البرودة". مجلة نيتشر فيزيكس . 8 (4): 267-276 . Bibcode : 2012NatPh...8..267B . doi : 10.1038/nphys2259 . S2CID 17023076 . 

مصادر